一種基于兩站協(xié)同的脈沖分選算法研究

呂新正,劉和周,王啟智

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

一種基于兩站協(xié)同的脈沖分選算法研究

呂新正,劉和周,王啟智

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)

如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多參數(shù)捷變雷達(dá)信號的脈沖分選一直是雷達(dá)對抗領(lǐng)域的一個(gè)十分重要的研究課題。提出了一種基于兩站協(xié)同的脈沖分選方法實(shí)現(xiàn)多參數(shù)捷變雷達(dá)的脈沖分選。詳細(xì)分析了兩站協(xié)同脈沖分選的實(shí)現(xiàn)過程,并通過仿真試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)證明兩站協(xié)同的方法可以提高脈沖分選的性能,同時(shí)可以解決多參數(shù)捷變雷達(dá)的脈沖分選。

雷達(dá);脈沖分選;兩站協(xié)同;多參數(shù)捷變

0 引 言

雷達(dá)截獲系統(tǒng)的作用是截獲一定頻域和空域范圍內(nèi)的雷達(dá)輻射源信號并確定其特征。如何在密集的電磁環(huán)境中正確地分離出各雷達(dá)輻射源信息,得到正確的參數(shù),實(shí)時(shí)地識(shí)別、告警,正確引導(dǎo)反輻射導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊或干擾系統(tǒng)進(jìn)行干擾,就變得越來越迫切,而信號分選在偵察引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備中是重要的組成部分之一。信號分選的正確與否直接關(guān)系到偵察設(shè)備的性能指標(biāo)。[1-2]從目前的信號分選技術(shù)來看,一般將信號分選分兩級處理,先根據(jù)到達(dá)方向(DOA)、載頻等參數(shù)對雷達(dá)信號進(jìn)行預(yù)分選,再利用脈沖重復(fù)間隔(PRI)對信號進(jìn)行進(jìn)一步分選。[3]但是,利用載頻的預(yù)分選無法實(shí)現(xiàn)捷變頻雷達(dá)的分選。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,為了實(shí)現(xiàn)低截獲,脈間捷變(包括頻率、重頻、脈寬的捷變)得到大量的應(yīng)用,傳統(tǒng)的直方圖方法很難完成分選。[4-5]本文通過分析,采用兩站協(xié)同的方法實(shí)現(xiàn)分選,很好地解決了捷變雷達(dá)的分選。

本文重點(diǎn)分析了兩站協(xié)同的方法實(shí)現(xiàn)脈沖的配對和聚類,并通過仿真試驗(yàn)的方式對單站和兩站的脈沖分選方法進(jìn)行了比較。從仿真的結(jié)果可以看出,兩站方法極大提高了單站的性能,同時(shí)解決了單站無法解決的多參數(shù)捷變雷達(dá)的脈沖分選。

1 基于兩站協(xié)同的脈沖參數(shù)配對方法

雷達(dá)偵察接收機(jī)接收到的信號經(jīng)過AD采樣后進(jìn)入偵察信號處理。信號處理經(jīng)過信道化和參數(shù)測量后形成脈沖描述字送入脈沖分選處理。因此,參數(shù)測量的脈沖描述字作為脈沖分選的輸入,其精度直接影響后續(xù)脈沖分選的性能。對于單站接收機(jī)來說,參數(shù)測量的精度與目標(biāo)距離接收站的距離直接相關(guān),而雙站則可以通過配對后參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)一步提高參數(shù)測量的精度。

設(shè)兩站接收機(jī)示意圖如圖1所示。圖中,A、B為相距D的兩個(gè)接收站,目標(biāo)C到兩個(gè)站的距離分別為X,Y,兩站測得的方位角分別為α,β。

圖1 兩站接收機(jī)示意圖

接收機(jī)A、B接收到的脈沖經(jīng)過信號處理后得到的脈沖描述字分別為PDWA{TOAa,Fa,PWa,PAa,DOAa},PDWB{TOAb,Fb,PWb,PAb,DOAb}。對于同一脈沖來說,脈沖的頻率和脈寬應(yīng)該是相同的,而方位和到達(dá)時(shí)間差是有一定關(guān)系的?？梢愿鶕?jù)圖1的接收關(guān)系建立如下的三角函數(shù)關(guān)系:

(1)

進(jìn)一步可得到

(2)

上式給出了目標(biāo)源到兩個(gè)接收站的距離差,從而可以得出兩站測量的到達(dá)時(shí)間關(guān)系有:

(3)

式中c為光速?？紤]到參數(shù)測量誤差的影響,假設(shè)角度的測量誤差為ε,則到達(dá)時(shí)間差與角度的關(guān)系有:

(4)

從三角形的關(guān)系可以看出:

因此,計(jì)算的到達(dá)時(shí)間差有正有負(fù),正負(fù)也表示目標(biāo)源離那個(gè)接收站更近。對于三角函數(shù)cosα,當(dāng)α∈(0,π)來說,函數(shù)是遞減的。因此,在作脈沖配對時(shí)可以利用到達(dá)時(shí)間差和方位角進(jìn)行配對。

實(shí)際工作中,由于到達(dá)時(shí)間差和方位均存在誤差，相對到達(dá)時(shí)間差,方位相對更為穩(wěn)定。因此,配對時(shí),首先根據(jù)兩站測量的DOA確定目標(biāo)的方位,然后設(shè)置方位差(大小為參數(shù)測量中方位誤差的兩倍)將該方位的兩站PDW提取出來。根據(jù)式(4)計(jì)算該方位目標(biāo)到兩站的時(shí)間差,再加上時(shí)間測量誤差(大小為參數(shù)測量中時(shí)間測量誤差的兩倍)作為某個(gè)方位目標(biāo)到兩站時(shí)間差可能的范圍,然后在兩站PDW中進(jìn)行搜索,實(shí)現(xiàn)脈沖配對。

由于兩站相距較遠(yuǎn),而且相互獨(dú)立工作,為了保證兩站同步工作,采用GPS產(chǎn)生同步秒脈沖作為時(shí)間同步的基準(zhǔn),并設(shè)計(jì)同步字頭。通過無線傳輸?shù)姆绞?將一站的PDW傳輸?shù)搅硪徽?然后完成兩站PDW的時(shí)間對齊。

綜上所述,對于同一個(gè)輻射源發(fā)出的脈沖信號,可以利用兩站參數(shù)測量的方位角和到達(dá)時(shí)間差,再加上脈沖信號的頻率和脈寬,實(shí)現(xiàn)脈沖的配對和參數(shù)修正。具體配對算法如下:

(1) 將兩站參數(shù)測量形成的PDW根據(jù)同步字頭進(jìn)行對齊處理;

(2) 根據(jù)兩站方位DOAa,DOAb確定目標(biāo)方位,計(jì)算該方位信號到達(dá)兩站的時(shí)間差;

(3) 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中參數(shù)測量的測量誤差和計(jì)算的時(shí)間差計(jì)算目標(biāo)方位可能的到達(dá)時(shí)間差區(qū)域;

(4) 根據(jù)頻率、脈寬相同為同一脈沖在到達(dá)時(shí)間區(qū)域進(jìn)行搜索,進(jìn)行脈沖配對。

2 基于兩站協(xié)同的聚類方法

經(jīng)過兩站協(xié)同的脈沖參數(shù)配對后,剔除了很多無意輻射源目標(biāo)或虛假干擾的脈沖描述字。為了進(jìn)一步提取目標(biāo)信息,需要進(jìn)行脈沖分選。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下密集目標(biāo)的分選,這里考慮對接收到的脈沖描述字進(jìn)行聚類分析。

對于單站偵察系統(tǒng)來說,最常用的是基于方位、頻率和脈寬的空間距離聚類方法[6],也就是根據(jù)空間點(diǎn)與點(diǎn)之間的歐幾里德距離進(jìn)行聚類。對于方位、頻率和脈寬均不變的目標(biāo)信號,空間距離聚類方法有很好的效果。但是,如果參數(shù)均發(fā)生捷變的目標(biāo)信號,則很容易將一個(gè)目標(biāo)聚類成多個(gè)目標(biāo),從而得到錯(cuò)誤的聚類結(jié)果。

對于一個(gè)空中目標(biāo),在短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)帶來的角度變化相對偵察系統(tǒng)的作用距離來說是非常小的。例如,對距偵察機(jī)距離為R、速度v的目標(biāo),在一次分選處理時(shí)間間隔t內(nèi)的角度變化為

(5)

假設(shè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度為2 km/s,目標(biāo)距離偵察設(shè)備的距離為100 km,信號處理時(shí)間間隔為500 ms,則其到達(dá)角的最大變化約為

(6)

對于單站系統(tǒng)來講,由于大部分偵察系統(tǒng)的測向精度往往在1°左右，因此目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的角度變化在測量誤差范圍內(nèi),可以認(rèn)為目標(biāo)在處理時(shí)間間隔內(nèi)角度是不變的,故可以采用目標(biāo)的方位參數(shù)作為聚類的依據(jù)。

對配對成功的PDW可以利用目標(biāo)距離兩站的距離來提高參數(shù)的精度。假設(shè)兩站的偵察設(shè)備相同,則可認(rèn)為兩站中離目標(biāo)較近的站接收到的信號更強(qiáng),脈沖參數(shù)測量精度更高?？衫眠@一準(zhǔn)則對配對成功的PDW進(jìn)行參數(shù)修正,從而得到高精度的時(shí)域參數(shù)。

由于時(shí)間測量相對精度較高,因此對于配對成功后的脈沖對可以反過來利用到達(dá)時(shí)間差對方位進(jìn)行修正。因此,本算法對方位測量誤差要求不高,在確定目標(biāo)大致方位后,可適當(dāng)放寬方位誤差,然后根據(jù)配對后的脈沖時(shí)間差進(jìn)一步計(jì)算方位,從而進(jìn)一步提高方位測量精度。

從上面的分析可以看出,兩站協(xié)同的脈沖參數(shù)配對方法,除了可以剔除無意干擾脈沖,同時(shí)還可以利用到達(dá)時(shí)間來對方位進(jìn)行修正,利用目標(biāo)距離兩站的遠(yuǎn)近來修正參數(shù)測量的精度,從而進(jìn)一步提高方位聚類結(jié)果。根據(jù)上面的分析,可以考慮從方位上進(jìn)行聚類,具體方法如下:

(1) 建立方位二維坐標(biāo)(橫坐標(biāo)為A站方位,縱坐標(biāo)為B站方位);

(2) 在坐標(biāo)軸上標(biāo)識(shí)對配對成功修正后的方位;

(3) 以參數(shù)測量的方位指標(biāo)誤差為聚類門限進(jìn)行聚類;

(4) 對聚類后的目標(biāo)進(jìn)行角度平均,算出目標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo)。

3 基于兩站協(xié)同的脈沖分選方法

為了實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜雷達(dá)信號的脈沖分選,給出了圖2所示的基于兩站協(xié)同的脈沖分選流程圖。對于兩站接收到的脈沖描述字,首先根據(jù)兩站PDW的方位確定目標(biāo)方位,然后計(jì)算到達(dá)兩站時(shí)間差,以兩倍指標(biāo)誤差為準(zhǔn)則,搜索配對脈沖,剔除無效的脈沖信號,然后根據(jù)配對成功的到達(dá)時(shí)間對方位角進(jìn)行修正,對修正后的方位角進(jìn)行兩站聚類處理,將聚類成功的PDW分別存儲(chǔ)下來進(jìn)行重頻分析處理。根據(jù)序列差直方圖的方法對TOA進(jìn)行重頻預(yù)測和序列搜索,根據(jù)重頻周期性判斷是否為固定參差目標(biāo)和抖動(dòng)滑變目標(biāo),然后對分選成功目標(biāo)對應(yīng)的PDW中的頻率和脈寬進(jìn)行分析,判斷是否存在捷變,輸出目標(biāo)特征參數(shù)。[7]

圖2 兩站協(xié)同脈沖分選技術(shù)流程圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證算法的特性,表1為4批目標(biāo)信號的參數(shù)表。為了說明算法的適用性,選擇的信號形式涵蓋了目前常用的雷達(dá)信號。同時(shí),在參數(shù)選擇上存在交疊,考慮到測量誤差的影響,脈寬的測量誤差為2 μs,頻率的測量誤差為2 MHz,方位的測量誤差為2°。圖3為單站處理時(shí)采用目前比較常用的基于頻率、脈寬、方位的聚類方法。從圖中可以看出,由于目標(biāo)2是多參數(shù)捷變信號,空間上目標(biāo)點(diǎn)發(fā)散,聚類困難,會(huì)出現(xiàn)增批和目標(biāo)信息不完整的情況。圖4為兩站協(xié)同方位的聚類結(jié)果。從圖中可以看出聚類結(jié)果不受參數(shù)捷變的影響,很容易得出正確的聚類結(jié)果。表2為不同模式下的脈沖分選結(jié)果。

表1 4批目標(biāo)信號參數(shù)

圖3 單站基于頻率、脈寬、方位聚類結(jié)果

圖4 兩站基于方位協(xié)同聚類結(jié)果

表2 4批目標(biāo)不同情況分選結(jié)果對比

從表中可以看出,對于單站信號來說,信號正確分選率與參數(shù)測量精度(參數(shù)測量精度與信號的信噪比有關(guān))和信號的復(fù)雜程度有關(guān)。從批號1、3、4可以看出,目標(biāo)距離偵察站越近信號的信噪比越高,則參數(shù)測量的精度越高,相應(yīng)的脈沖正確分選概率高。對于批號2來說,由于頻率、脈寬、重頻均存在捷變,故單站正確分選脈沖個(gè)數(shù)不足50%,而兩站協(xié)同的方式,無論參數(shù)是否捷變,脈沖分選概率都很高,兩站協(xié)同的時(shí)候利用強(qiáng)信號的脈沖參數(shù)去修正弱信號的脈沖參數(shù),則對分選結(jié)果有一定的改進(jìn)作用。

5 結(jié)束語

本文闡述了一種全新基于兩站協(xié)同的脈沖分選方法。通過兩站與目標(biāo)組成的三角關(guān)系出發(fā),理論論證了兩站測量的到達(dá)時(shí)間與方位角之間的關(guān)系,給出了兩站協(xié)同配對的算法步驟,同時(shí)根據(jù)修正后的兩站方位角進(jìn)行聚類,并對聚類的結(jié)果進(jìn)行重頻分析,給出脈沖分選結(jié)果。該方法解決了單站系統(tǒng)無法解決的多參數(shù)同時(shí)捷變的雷達(dá)信號的脈沖分選問題。通過仿真實(shí)驗(yàn)的方法對多批目標(biāo)進(jìn)行分選,并與單站分選結(jié)果進(jìn)行了比較。從仿真的結(jié)果來看,利用雙站協(xié)同的方式可以改善多批復(fù)雜信號的聚類和分選性能。

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[7] 易波,劉培國. 雷達(dá)信號分選算法研究[D]. 國防科技大學(xué)碩士論文,2012.

A pulse sorting algorithm based on two-station cooperation

LYU Xin-zheng, LIU He-zhou, WANG Qi-zhi

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

How to realize the pulse sorting of the complex multi-parameter agile radar is an important research topic in the field of radar countermeasures. A pulse sorting method is proposed based on two-station cooperation to realize the pulse sorting of the multi-parameter agile radar. The implementation process of the pulse sorting based on two-station cooperation is analyzed in detail and verified through the simulation. The test results show that such method can improve the performance of the pulse sorting and resolve the problem of pulse sorting for the multi-parameter agile radar.

radar; pulse sorting; two-station cooperation; multi-parameter agile

2017-04-20;

2017-05-10

呂新正(1976-),男,高級工程師,研究方向:雷達(dá)對抗技術(shù);劉和周(1973-),男,高級工程師,碩士,研究方向:電子對抗技術(shù);王啟智(1981-),男,高級工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)信號處理和電子對抗信號處理技術(shù)。

TN958

A

1009-0401(2017)02-0023-04